一种基于正则化策略的稳定衰减补偿逆时偏移

地下介质通常具有黏滞性,地震波在地下介质的传播过程中将不可避免地伴随着振幅衰减和速度频散,进而影响地震成像的准确性和分辨率.基于黏滞介质的衰减补偿逆时偏移能沿地震波的传播路径恢复其所经历的振幅衰减和相位畸变,有效提升成像效果.然而,由于地层对地震波的吸收衰减效应呈指数变化,衰减补偿过程中高低频分量的非同步增长易导致补偿算法数值不稳定.为此,本文提出了一种基于正则化策略的稳定衰减补偿逆时偏移方法.该方法基于解耦的常Q分数阶拉普拉斯算子黏滞声波方程描述地震波在地下介质中的传播效应,将振幅正则化因子引入该方程的时间-波数域的解析解中,以确保在补偿过程中地震波场能稳定延拓.二维、三维合成数据以及实际资料的偏移算例均证实了该方法的可行性和有效性,所提出的方法能有效地处理衰减补偿中的不稳定问题,明显提升地震资料的偏移成像质量.     

基于吸收衰减补偿的多分量高斯束逆时偏移

高斯束逆时偏移结合了射线类偏移的高计算效率和波动方程逆时偏移的高精度,能很好地处理焦散点、大倾角成像问题,并且具有面向目标成像的能力.多分量地震资料的偏移技术可以对地下复杂构造进行更准确的成像,由于实际地下介质具有黏滞性,研究黏弹性叠前逆时偏移具有一定的现实意义.本文采用高斯束逆时偏移方法对多分量地震数据进行吸收衰减补偿,首先分别给出纵波和转换波共炮域高斯束叠前逆时偏移方法原理,在此基础上推导补偿吸收衰减的表达式,校正Q引起的振幅衰减和相位畸变,实现基于吸收衰减补偿的多分量高斯束叠前逆时偏移.数值模型的测试结果显示,在考虑地下介质的黏滞性时,本文方法具有更高的成像分辨率.     

基于Low rank近似的黏弹性介质衰减补偿微地震逆时定位与裂缝成像

真实地下介质具有黏弹性,地震波在传播过程中会发生耗散与频散.忽视黏弹性介质的吸收衰减效应,逆时延拓过程中地震波将会出现振幅减弱、相位失真等现象,无法准确定位震源真实位置,因此需要对黏弹性介质中传播的波场进行衰减补偿,并通过采用合适的成像算子对微地震震源进行定位与裂缝成像.本文基于耗散与频散解耦的分数阶黏弹性波动方程模拟波场,采用low rank分解近似混合域算子,分离衰减相关项并反转耗散项符号,并在补偿的衰减项波场的波数域中进行低通滤波,压制噪声的影响;使用优化后的成像算子进行微地震震源定位,并通过分离散射波场,对散射波进行逆时反传寻找裂缝.数值实验证明,本文方法通过low rank近似有效提高了计算效率,衰减补偿算子在滤波器约束下能够稳定地补偿反向延拓的波场,优化后的成像算子能够在压制随机噪声的同时进一步提高计算效率和定位分辨率.     

黏声介质最小平方逆时偏移

介质的黏滞性是普遍存在的.黏滞性介质中的真振幅成像需要校正由介质的黏滞性引起的振幅衰减与速度频散,然而常规的反Q偏移方法存在不稳定问题.本文在反演的框架下求解黏声介质成像问题,在有效避开不稳定的同时实现真振幅成像.首先将波动方程线性化,并依此建立黏声介质最小平方逆时偏移(LSRTM)的目标函数;然后推导波动方程伴随算子,并在此基础上借助伴随状态法推导迭代求解的具体算法;最后通过引入动态相位编码技术将计算量降至与常规逆时偏移相同的数量级.该方法在真振幅成像过程中考虑了介质黏滞性的影响,更接近实际情况,具有更好的振幅保持性.相对于常规逆时偏移,该方法能够自动压制成像噪声,具有更高的成像分辨率及精度.通过模型试算验证了方法的正确性.     

黏声介质最小平方逆时偏移

介质的黏滞性是普遍存在的.黏滞性介质中的真振幅成像需要校正由介质的黏滞性引起的振幅衰减与速度频散,然而常规的反Q偏移方法存在不稳定问题.本文在反演的框架下求解黏声介质成像问题,在有效避开不稳定的同时实现真振幅成像.首先将波动方程线性化,并依此建立黏声介质最小平方逆时偏移（LSRTM）的目标函数;然后推导波动方程伴随算子,并在此基础上借助伴随状态法推导迭代求解的具体算法;最后通过引入动态相位编码技术将计算量降至与常规逆时偏移相同的数量级.该方法在真振幅成像过程中考虑了介质黏滞性的影响,更接近实际情况,具有更好的振幅保持性.相对于常规逆时偏移,该方法能够自动压制成像噪声,具有更高的成像分辨率及精度.通过模型试算验证了方法的正确性.     

基于分数阶拉普拉斯算子解耦的黏声介质地震正演模拟与逆时偏移

时间域常Q黏声波方程,由于含分数阶时间导数项,数值求解需要大量内存,计算效率低,不利于地震偏移的实施.通过一系列近似,可将该方程简化为介质频散效应和衰减效应解耦的分数阶拉普拉斯算子黏声波方程,数值求解内存需求少,计算效率高.本文采用交错网格有限差分逼近时间导数,改进的伪谱法计算空间导数,PML吸收边界去除边界反射,对该方程进行数值离散和地震正演模拟,开展地震数据的黏声介质逆时偏移,实现波场逆时延拓过程中同时完成频散校正和衰减补偿.改善深层构造的成像精度,数值结果表明,基于分数阶拉普拉斯算子解耦的黏声介质地震正演模拟与逆时偏移可大幅度提高地震模拟计算效率,偏移剖面明显优于常规声波偏移剖面,极大改善深层构造的成像品质.     

衰减补偿的黏弹性最小二乘逆时偏移

地震勘探是发现和认识油气藏的重要方法,随着国内油气勘探领域、勘探对象的日趋复杂化,油气勘探迫切需求地震成像的精准度、分辨率和保真度的大幅度提升.相比于常规逆时偏移方法,最小二乘逆时偏移成像有较少的伪像,成像振幅均衡,成像分辨率高.目前常用弹性最小二乘逆时偏移方法来对地下介质进行成像.但由于地下介质通常表现出黏弹性性质,在含油气地层中表现尤为明显,若忽略地下介质的吸收衰减作用,地震波传播中的振幅衰减和频散累积将会影响成像的振幅和相位,进而降低成像分辨率,致使地下构造定位不准.本文基于标准线性体模型的黏弹性波动方程,提出一种衰减补偿的黏弹性最小二乘逆时偏移成像方法,推导了准确的黏弹性最小二乘理论框架下的偏移算子、反偏移算子、步长,并给出了算法的数值实现流程.通过对层状模型和Marmousi模型进行测试,得到本文提出的黏弹性波最小二乘逆时偏移方法的成像结果和收敛速度,并与其他方法的测试效果进行了对比.结果表明,黏弹性最小二乘逆时偏移方法能够准确地归位包含强衰减的多分量地震记录,能够有效避免弹性波最小二乘逆时偏移成像错误的反射层位置,压制成像噪声,收敛速度快,成像精度高.     

井中地震三维高效黏声逆时偏移成像方法及应用

井中地震是井中激发地面接收的一种新型地震采集方法,与地面地震相比,具有采集成本低,作业效率高的优点.此外,井中地震资料信噪比高、频带宽、波场丰富,可实现井周小尺度构造精细成像.在油藏开发中,井中地震可实现油藏描述与监测.鉴于上述原因,近年来,井中地震受到业内越来越多的关注.然而,井中地震震源能量弱,地层吸收衰减效应的影响强于地面地震.因此,需要发展针对性的井中地震衰减补偿偏移成像方法.本文基于Kelvin-Voigt模型推导新的振幅衰减和相位频散解耦的黏声波动方程,通过改进激发振幅成像条件,实现高效的井中三维地震黏声逆时偏移成像方法.此外,本文采用时变低通滤波器压制高波数噪声,提升黏声逆时偏移方法的稳定性.数值算例及实际资料应用表明,本文提出的井中三维黏声逆时偏移成像方法计算效率高、稳定性好,实用化潜力大.     

基于干涉成像条件的探地雷达衰减补偿逆时偏移成像

探地雷达(GPR)衰减补偿逆时偏移方法采用互相关成像条件对实际地下结构成像时，由介质小尺度不均匀所产生的散射波和噪声能量在电磁波衰减补偿逆时外推中会急剧增大，严重影响成像分辨率.为此，本文提出一种基于干涉成像条件的GPR衰减补偿逆时偏移方法.该方法通过在逆时外推过程中，人为改变电磁波动方程中衰减项前的正负号，以保持逆时外推的时间对称性，补偿衰减的电磁波能量；干涉成像条件利用Wigner分布函数(WDF)对所有时刻的逆时外推电磁波场进行滤波，以有效压制逆时偏移剖面中的低频噪声及成像伪影.数值试验结果表明：相比于互相关成像条件，干涉成像条件可有效压制衰减补偿逆时偏移过程中由于背景小尺度不均匀性所产生的散射波和低频噪声，且几乎不影响目标体的成像能量；在计算效率相当的同时，成像分辨率更高.     

基于反演的稳定高效衰减补偿方法

反Q滤波方法是提高地震数据分辨率的一种有效途径,可以用来补偿振幅和校正相位.常规的反Q滤波方法一般基于波场延拓理论,具有不稳定性或振幅补偿不足的缺点.本文基于波场延拓的正Q滤波方程,借鉴反演的思想以及正则化策略提出了一种新的衰减补偿方法,该方法稳定、精确,利用该方法可最终得到高分辨的地震记录.该方法仅计算有效频带内的频率分量,提高了计算效率.模拟数据以及实际数据处理验证了本文方法的有效性.     

Visco‐acoustic prestack reverse‐time migration based on the time‐space domain adaptive high‐order finite‐difference method

It is important to include the viscous effect in seismic numerical modelling and seismic migration due to the ubiquitous viscosity in an actual subsurface medium. Prestack reverse‐time migration (RTM) is currently one of the most accurate methods for seismic imaging. One of the key steps of RTM is wavefield forward and backward extrapolation and how to solve the wave equation fast and accurately is the essence of this process. In this paper, we apply the time‐space domain dispersion‐relation‐based finite‐difference (FD) method for visco‐acoustic wave numerical modelling. Dispersion analysis and numerical modelling results demonstrate that the time‐space domain FD method has great accuracy and can effectively suppress numerical dispersion. Also, we use the time‐space domain FD method to solve the visco‐acoustic wave equation in wavefield extrapolation of RTM and apply the source‐normalized cross‐correlation imaging condition in migration. Improved imaging has been obtained in both synthetic and real data tests. The migration result of the visco‐acoustic wave RTM is clearer and more accurate than that of acoustic wave RTM. In addition, in the process of wavefield forward and backward extrapolation, we adopt adaptive variable‐length spatial operators to compute spatial derivatives to significantly decrease computing costs without reducing the accuracy of the numerical solution.     

基于自适应优化有限差分方法的全波VSP逆时偏移

与地面地震资料相比,VSP资料具有分辨率高、环境噪声小及能更好地反映井旁信息等优点.常规VSP偏移主要对上行反射波进行成像,存在照明度低、成像范围受限等问题.为了增加照明度、拓宽成像范围、提高成像精度,本文采用直达波除外的所有声波波场数据(全波),包括一次反射波、多次反射波等进行叠前逆时偏移成像.针对逆时偏移中的四个关键问题,即波场延拓、吸收边界条件、成像条件及低频噪声的压制,本文分别采用自适应变空间差分算子长度的优化有限差分方法(自适应优化有限差分方法)求解二维声波波动方程以实现高精度、高效率的波场延拓,采用混合吸收边界条件压制因计算区域有限所引起的人工边界反射,采用震源归一化零延迟互相关成像条件进行成像,采用拉普拉斯滤波方法压制逆时偏移中产生的低频噪声.本文对VSP模型数据的逆时偏移成像进行了分析,结果表明:自适应优化有限差分方法比传统有限差分方法具有更高的模拟精度与计算效率,适用于VSP逆时偏移成像;全波场VSP逆时偏移成像比上行波VSP逆时偏移的成像范围大、成像效果好;相对于反褶积成像条件,震源归一化零延迟互相关成像条件具有稳定性好、计算效率高等优点.将本文方法应用于某实际VSP资料的逆时偏移成像,进一步验证了本文方法的正确性和有效性.     

地震叠前逆时偏移算法的CPU/GPU实施对策

相较于单程波偏移算法而言,逆时偏移成像方法以其物理基础为依托优势,几十年来一直备受国内外地球物理学家的青睐.目前的逆时偏移(RTM)若直接采用双程波动方程进行延拓,尽管可以回避上下行波的分离处理,然就已有算法而言,其计算量和I/O(输入/输出)量却是最大的.针对此问题,本文在分析现行逆时偏移的多种算法基础上,提出利用CPU/GPU(中央处理器/图形处理器)作为数值计算核心,建立随机边界模型,从而克服存储I/O难题和提高计算效率.在实际的数据测试中,本文的方法可以大幅度的提高计算效率和减少存储单元,从而促使其高效地应用于生产实际.     

Viscoacoustic prestack reverse time migration based on the optimal time-space domain high-order finite-difference method

Prestack reverse time migration （RTM） is an accurate imaging method ofsubsurface media. The viscoacoustic prestack RTM is of practical significance because itconsiders the viscosity of the subsurface media. One of the steps of RTM is solving thewave equation and extrapolating the wave field forward and backward; therefore, solvingaccurately and efficiently the wave equation affects the imaging results and the efficiencyof RTM. In this study, we use the optimal time-space domain dispersion high-order finite-difference （FD） method to solve the viscoacoustic wave equation. Dispersion analysis andnumerical simulations show that the optimal time-space domain FD method is more accurateand suppresses the numerical dispersion. We use hybrid absorbing boundary conditions tohandle the boundary reflection. We also use source-normalized cross-correlation imagingconditions for migration and apply Laplace filtering to remove the low-frequency noise.Numerical modeling suggests that the viscoacoustic wave equation RTM has higher imagingresolution than the acoustic wave equation RTM when the viscosity of the subsurface isconsidered. In addition, for the wave field extrapolation, we use the adaptive variable-lengthFD operator to calculate the spatial derivatives and improve the computational efficiencywithout compromising the accuracy of the numerical solution.     

基于波场分离的弹性波逆时偏移

尽管叠前逆时偏移成像精度高,但仅针对单一纵波的成像也可能形成地下介质成像盲区,由于基于弹性波方程的逆时偏移成像可形成多波模式的成像数据,因此弹性波逆时偏移成像可提供更为丰富的地下构造信息.本文依据各向同性介质的一阶速度-应力方程组构建震源和检波点矢量波场,再利用Helmholtz分解提取纯纵波和纯横波波场,使用震源归一化的互相关成像条件获得纯波成像,避免了直接使用坐标分量成像而引起的纵横波串扰问题.针对转换波成像的极性反转问题,文中提出一种共炮域极性校正方法.为有效节约存储成本,也提出一种适用于弹性波逆时偏移的震源波场逆时重建方法,在震源波场正传过程中,仅保存PML边界内若干层的速度分量波场,进而逆时重建出所有分量的震源波场.本文分别对地堑模型和Marmousi2模型进行了弹性波逆时偏移成像测试,结果表明:所提出的共炮域极性校正方法正确有效,基于波场分离的弹性波逆时偏移成像的纯波数据能够对复杂地下构造准确成像.     

Acoustic Reverse-time Migration using Optimal Staggered-grid Finite-difference Operator Based on Least Squares

Reverse-time migration (RTM) directly solves the two-way wave equation for wavefield propagation; therefore, how to solve the wave equation accurately and quickly is very important for RTM. The conventional staggered-grid finite-difference (SFD) operators are usually based on the Taylor-series expansion theory. If they are used to solve wave equation on a larger frequency content, a strong dispersion will occur, which directly affects the seismic image quality. In this paper, we propose an optimal SFD operator based on least squares to solve acoustic wave equation for prestack RTM, and obtain a new antidispersion RTM algorithm that can use short spatial difference operators. The synthetic and real data tests demonstrate that the least squares SFD (LSSFD) operator can mitigate the numerical dispersion, and the acoustic RTM using the LSSFD operator can effectively improve image quality comparing with that using the Taylor-series expansion SFD (TESFD) operator. Moreover, the LSSFD method can adopt a shorter spatial difference operator to reduce the computing cost.     

带正则化校正的TTI介质qP波方程及其逆时偏移方法和应用

各向异性研究对地下介质精确成像有着重要的意义,在当前计算机硬件迅速发展及宽方位地震数据采集日益普遍的情况下,成像必须考虑介质的各向异性.逆时偏移是基于双程波动方程的较为精确的数值解的成像方法,所以相对于其他地震成像方法,它具有很大的优势,譬如不受反射界面的倾角限制、偏移速度结构合适时能够使回转波及多次波正确成像.在各向同性介质中,可使用标量波方程来模拟波场.而在各向异性介质中,P波和SV波是相互耦合的,即不存在单纯的标量波传播,通常利用能代表耦合波场中P波分量运动学特征的拟声波(qP波)进行偏移成像.本文中,我们推导出了TTI介质下qP波控制方程.该方程可采用显式有限差分格式进行求解.通过声学近似,若沿对称轴方向的剪切波速度为零,对于对称轴方向不变且ε≥δ的模型来说,可得到稳定的数值解.但对于TTI介质来说,由于沿对称轴方向各向异性参数是变化的,声学近似会引起波场传播及数值计算的不稳定.因此,我们提出了正则化有限横波的方法,很好地解决了这一问题.最后,给出了Foothill模型的测试结果及某探区实际资料试算结果,展示了采用这个方程进行复杂TTI模型正演和高质量逆时偏移成像结果,证实了该方法的正确性和实际资料应用中的有效性.     

Acoustic VTI modeling and pre-stack reverse-time migration based on the time–space domain staggered-grid finite-difference method

Reverse-time migration (RTM) is based on seismic numerical modeling algorithms, and the accuracy and efficiency of RTM strongly depend on the algorithm used for numerical solution of wave equations. Finite-difference (FD) methods have been widely used to solve the wave equation in seismic numerical modeling and RTM. In this paper, we derive a series of time–space domain staggered-grid FD coefficients for acoustic vertical transversely isotropic (VTI) equations, and adopt these difference coefficients to solve the equations, then analyze the numerical dispersion and stability, and compare the time–space domain staggered-grid FD method with the conventional method. The numerical analysis results demonstrate that the time–space domain staggered-grid FD method has greater accuracy and better stability than the conventional method under the same discretizations. Moreover, we implement the pre-stack acoustic VTI RTM by the conventional and time–space domain high-order staggered-grid FD methods, respectively. The migration results reveal that the time–space domain staggered-grid FD method can provide clearer and more accurate image with little influence on computational efficiency, and the new FD method can adopt a larger time step to reduce the computation time and preserve the imaging accuracy as well in RTM. Meanwhile, when considering the anisotropy in RTM for the VTI model, the imaging quality of the acoustic VTI RTM is better than that of the acoustic isotropic RTM.     

地震叠前逆时偏移高阶有限差分算法及GPU实现

叠前逆时偏移技术是解决地震成像问题的有力工具,但由于计算量大、成像噪音以及存储量大等原因没有得到广泛的应用.本文给出了逆时偏移的实现过程,分析了高阶有限差分格式的稳定性与频散关系.针对叠前逆时偏移计算量大的问题,使用图形处理器(Graphic Processing Unit,简称GPU)实现算法加速,比传统的CPU计算速度提高了一个数量级.文中对理论模型进行了计算,并与单程波偏移方法做比较,结果表明:叠前逆时偏移有效突破了成像倾角限制,对垂直断层、盐丘空腔内幕等特殊构造成像效果均有显著提高.本文尚未涉及成像噪音去除以及存储量等问题,笔者将另文阐述.     

再论地震数据偏移成像

利用地震波正向传播方程对属于波形线性反演问题近似求解方法的地震数据偏移成像进行重新推导,得到了适合散射地震数据的散射偏移成像方法和适合反射地震数据的反射偏移成像方法.以地震波传播的散射理论为出发点,首先根据描述一次散射波正向传播的线性方程研究建立散射地震数据的偏移成像方法理论;利用高频近似对产生散射波场的地下速度扰动函数的空间变化进行近似,推导出地下反射率函数,再由散射波传播方程推导出基于反射率函数的反射波传播方程,然后根据描述一次反射波正向传播的线性方程研究建立反射地震数据的偏移成像方法理论.本文指出和修正了Claerbout偏移成像方法中的不足,提出的地震数据偏移成像方法是对当前偏移成像方法理论的完善,使反射地震数据偏移成像具有了更坚实的数学物理理论基础,得到的偏移成像结果相位正确、位置准确、分辨率提高.